EP1231454A2 - Vorrichtung und Verfahren zur Durchführung interferometrischer Messungen - Google Patents

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EP1231454A2
EP1231454A2 EP02002867A EP02002867A EP1231454A2 EP 1231454 A2 EP1231454 A2 EP 1231454A2 EP 02002867 A EP02002867 A EP 02002867A EP 02002867 A EP02002867 A EP 02002867A EP 1231454 A2 EP1231454 A2 EP 1231454A2
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EP
European Patent Office
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wavelength
light source
light
sensor
interferometer
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EP02002867A
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EP1231454A3 (de
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Norbert Dipl.-Phys. Dr. Fürstenau
Bernd Dipl.-Ing. Werther
Markus Dipl.-Ing. Schmidt
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
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    • G01D5/266—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light by interferometric means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/344—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using polarisation

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for carrying it out interferometric measurements.
  • Interferometric and polarimetric sensors have output signals with sin 2 - and cos 2 -shaped dependence of the measured variable-induced phase difference between the measuring light wave and the reference light wave. As a result, they are non-linear and periodic, which makes their evaluation difficult.
  • Bragg reflector sensors have an expansion and temperature-dependent wavelength detuning of their spectral reflection maximum, which requires a high-resolution wavelength measurement.
  • a disadvantage of such a system is the relatively high cost of the two light sources and additional facilities for this.
  • DE 196 28 200 A1 shows a system in which the light of a single one Light source fed to an interferometer or polarimetric sensor the light emitted by this sensor in two or more beam paths is subdivided and an adjustable one in each beam path Interference filter with different central wavelength is provided.
  • suitable tilt angle settings of the different interference filters can the at least two coupled out interference signals in quadrature, that is 90 degrees phase difference.
  • the through the interference filter beam paths that have been reached are each changed from one measuring device to the quantitative Measurement recorded.
  • an adjustable one Filter element is also the light of a light source in US Pat. No. 5,646,399 with a beam splitter divided into three beam paths and then on one dielectric multilayer film filter given. This is intended to make certain Wavelength adjustments are possible.
  • a concept is neither conceived nor suitable because of the manufacturing tolerances of the filter elements, for example the inhomogeneity of the coating and the fluctuations in the refractive index, no projections of the would allow angle of incidence. Also is the theoretical, physical Relationship between the tilt angle of such a film and the Displacement wavelength complicated and definitely not linear, so that no suitable signals can be generated to interferrometric Perform measurements.
  • the object of the invention is based on the prior art To create improvements and in particular a process with little effort and a device for carrying out interferometric measurements create with which measurement signals of an interferometer or polarimetric Measure sensors with precisely adjustable, different wavelengths can be.
  • the interference signals should advantageously be in one Phase relationship (for example, quadrature) and an exact one Determination of the phase changes are made possible.
  • the exact wavelength of a ⁇ -modulated Bragg reflector sensor can be determined.
  • This task is solved on the one hand by a method in which light is a Interferometer sensor device or polarimetric sensor device supplied is that of the interferometer sensor device or polarimetric Sensor device reflects or transmitted light in at least two beam paths is divided by a different angle of incidence optical band pass filter, and that through the optical band pass filter arrived rays are measured quantitatively and the measurement is evaluated, with at least one angle of incidence of a beam path is adjusted and measurements at different values of the angle of incidence be made.
  • this object is achieved by a device with a light source, an interferometer sensor device or polarimetric sensor device, a beam splitter device for splitting the interferometer sensor device or polarimetric sensor device Radiation in at least two beam paths, an optical bandpass filter, which is arranged in the beam paths, photodetectors in the beam paths for quantitative measurement of the light passing through the bandpass filter the beam paths, and a data processing device for calculation measurement signals from the photodetectors using a suitable algorithm.
  • the invention is based on the idea that not several, in the respective Filters provided are tilted individually, but the Beam paths at different angles passed through a common filter become. This will significantly simplify the structure and achieved a cost reduction.
  • the common filter and used in addition Bundling devices, for example gradient index lenses, in a common Block can be accommodated, so that errors due for example different filter properties or different angle settings and stability problems are kept to a minimum.
  • a broadband light source such as for example, an edge-emitting light-emitting diode or a superluminescent diode can be used without stability problems with line widths of for example 50 to 100 nm without internal current and temperature stabilization.
  • the light is one or more interferometer sensors respectively polarimetric sensors supplied, for example by a suitable Coupling device, for example a 4x4, three 2x2 or a 3x1 and one 2x2 coupling device can be achieved. That from the sensor respectively Light reflected back from the sensors is transmitted via the coupling device divided into at least two, advantageously three beam paths and fed to the common filter, which is advantageously in a filter block is provided, the fixed reception of the supplied glass fibers and accurate Adjustment of the bundle devices enables.
  • a suitable Coupling device for example a 4x4, three 2x2 or a 3x1 and one 2x2 coupling device can be achieved. That from the sensor respectively Light reflected back from the sensors is transmitted via the coupling device divided into at least two, advantageously three beam paths and fed to the common filter, which is advantageously in a filter block is provided, the fixed reception of the supplied glass fibers and accurate Adjustment of the bundle devices enables.
  • a Fabry-Perot etalon can also be used as the optical bandpass filter be used.
  • an arctan method to determine a phase difference be used.
  • a quadrature relationship of the Measurement signals can be set. The determination of the wavelength of a Bragg reflector sensor can be done via the quotient of the measurement signals.
  • a light source without cooling can be used become.
  • the power supply can be changed such that at least extensive compensation is achieved.
  • a sensor for Example an NTC transistor used in a suitable amplifier circuit become.
  • the mean center wavelength is advantageously changed by tilting the angle of incidence, being a symmetrical arrangement the lower and upper wavelength with equal distances to the medium center wavelength is sought.
  • the interference signal according to the invention as an option with regard to the information contained in the signal be evaluated for the absolute (initial) phase position. This simplifies the Initialization of demodulation (entry of the initial fringe order if it deviates from the quadrature value) and is helpful when connecting several sensor elements to the device.
  • a step by step is suitable for this Wavelength detuning of the middle of the three wavelengths with simultaneous Analysis of the measured signals or alternatively an integrated in the device Reference interferometer.
  • the interference signal is the last variant by means of a fiber-optic switch before coupling into the optical bandpass filter unit branched to a reference interferometer.
  • the device can advantageously reduce costs when using several sensor elements (where otherwise one for each sensor Demodulation unit is used) to an electronically switchable fiber optic switch (as they are common in telecommunications) in one of the optical outputs can be supplemented, which enables switching (multiplexing) allowed between 2 to 16 sensor elements.
  • This expansion takes place advantageously in combination with initialization processes.
  • a light source 1 for example an edge-emitting light-emitting diode ELED with line widths of, for example, 100 nm or a superluminescent diode with a line width of 15 to 40 nm, for example in the infrared spectral range with wavelengths of 800 to 1500 nm, is used.
  • FIG. 3 shows an example of the spectral curve, depending on the wavelength in curve a,
  • the light source 1 is supplied with current from a current source 2.
  • a temperature sensor 3 measures the temperature inside the housing, the measured one Temperature is passed to the power source 2.
  • the light output by the light source 1 is guided to a 4x4 coupler 4 via a light guide 20.
  • the coupler can be designed in a manner known per se by using fused glass fibers.
  • Four optical fibers 5, 6, 7 are led out of the coupler 4, one of which, for example, is connected to a sensor 19 at one of the optical connections P1, P2, P3, P4.
  • This sensor can be interferometric, polarimetric or Bragg reflector sensor, which is connected to the optical fibers 5, 6, 7, 8 via optical connections.
  • the light emitted again by the sensor is guided back via the optical fibers 5, 6, 7, 8, the directional coupler 4 and via coupler arms 9, 10, 11 to gradient index lenses 12, 13, 14 which act as bundle devices.
  • These lenses conduct the light to an optical bandpass filter 15 at different angles of incidence ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3.
  • the radiation transmitted by the bandpass filter 15 is in each case emitted by a photodetector, for example a photodiode 16, 17 , 18 added.
  • An output voltage U1, U2, U3 can in each case be measured as the measured variable.
  • the optical bandpass filter can be, for example, an interference filter or a Fabry-Perot etalon.
  • the temperature sensor can be, for example, a thermocouple or an NTC resistor his.
  • FIG. 2 shows an example of a driver circuit for the light-emitting diode 1, in which the driver circuit of the ELED1 is compensated with the aid of the operational amplifier OP1 in such a way that the drop in intensity and the wavelength shift are compensated for by increasing the current intensity.
  • R1, R2, R3, R4 are suitable ohmic resistors, Z1 a suitable Zener diode, 3 an NTC resistor, P1 a suitable potentiometer, C9, C10 suitable capacitors, D1 a suitable diode and P1 a suitable transistor. For example, -5 volts and + 5 volts can be selected as supply voltages.
  • the filter center wavelengths ⁇ F are advantageously on the long-wave flank of the ELED spectrum by selection of suitable angles ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 , as shown in Figure 3.
  • the intersection of the (linear) flanks of the spectra of two transmission characteristics must be close to the Bragg wavelength ⁇ B , as shown by way of example in FIG. 9.
  • at least one of the lenses 12, 13, 14 can be adjusted with respect to its angle to the filter normal.
  • FIG. 4 An arrangement for receiving a bandpass filter, the gradient index lenses and the associated photodiodes and for adjusting the angle of one of the three light beams through the filter is shown by way of example in FIG. 4 .
  • a filter holder 22 with a round opening 23 for receiving the filter 15 has a rotatable armature 24 for receiving a gradient index lens 13 and the associated photodiode 17.
  • a housing block 26 has a continuous opening 27 for receiving the armature 24. The housing block 26 can be placed on the base of the filter holder 22 in such a way that the gradient index lenses 12, 14 can be connected and the beam path from the lenses 12, 14 to the corresponding photodiodes 16, 18 run through the bandpass filter 15.
  • an angle ⁇ 2 can be adjusted to the surface normal of the bandpass filter 15, where, on the other hand, the setting angle of the diodes 12, 14 remain constant.
  • angles ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 are different with respect to the surface normal of the filter 15, so that the effective wavelength ⁇ F of ( ⁇ i ) behind the filter is slightly lower than ⁇ F for each light beam.
  • the adjustment of the armature 24 in FIG. 4 can be done, for example, via an adjustment device 28, for example as a fine-thread micrometer screw with a corresponding Scaling or designed as a microcontroller-controlled stepper motor is made. This is a quantitatively reproducible Wavelength adjustment possible.
  • a combination of a 2x2 coupler 34 and a 3x1 coupler 35 is provided instead of the 4x4 coupler shown in FIG.
  • a microinterferometer strain sensor 37 for example, is connected as a sensor to the output arms 36 of the coupler 34.
  • a suitable one can also be used Use a combination of, for example, three 2x2 couplers.
  • the photonic circuit shown in FIG. 1 with a 4x4 coupler 34 or the embodiment shown in FIG. 5 with 2x2 and 1x3 (or 3x3) couplers is a combination of three 2x2 directional couplers replaced. They are specified with regard to their coupling ratios so that the light intensities entering the optical bandpass filter are maximized and are the same for all three channels (coupler ratio 1: 1, 1: 2, 1: 1): as in the photonic circuit of FIG. 5, the light output is the light beam radiated into the optical bandpass filter 1/12 of the intensity coupled into the coupler 34 from source 1 and reflected by the sensor element.
  • the increased complexity of the photonic circuit compared to FIG. 5 is offset by the usually lower price of the 2x2 couplers and the better availability compared to the 3x3 couplers due to the wide use in the telecommunications sector.
  • FIG. 7 shows a further variant of a photonic circuit with three 2x2 directional couplers with different coupling ratios while maximizing the same output intensity for the three channels (coupling ratios 1: 3, 1: 2, 1: 1): output power, in turn, 1/12 of that in coupler 34 from Source 1 coupled in and reflected by the sensor element.
  • a microcontroller 38 converts the output voltages U1, U2, U3 of the photodetectors via analog-digital converter ADC1, ADC2, ADC 3 into digital signals.
  • ADC1, ADC2, ADC 3 into digital signals.
  • the microcontroler are for the different types of sensors, in particular microinterferometers, Bragg reflector sensors different demodulation algorithms implemented.
  • FIG. 8 shows an arrangement with an electronically controllable fiber-optic switch 90 in one of the four output arms of directional coupler 4 (only one output arm is shown) for the alternative design of two sensor elements connected to the demodulation unit at P1, P2, the photonic circuit in FIG. 5 being an example was used.
  • Switches with up to 16 output channels are e.g. Currently available, so that multiplex operation with a corresponding number of sensors is possible.
  • the electronically controllable changeover switch is advantageously activated via the microcontroller of the demodulation unit, but can also be switched back and forth between the channels P1, P2 by a manually triggered electrical pulse.
  • FIG. 9 several Bragg reflector sensors 39, 40, 41 are connected in series, which have different Bragg wavelengths ⁇ 1 , ⁇ 2 , ⁇ 3 .
  • one or more of the devices shown in FIG. 4 can be used as demodulation unit 42 in combination with a suitable upstream directional coupler such as 35.
  • a suitable upstream directional coupler such as 35.
  • the demodulation is preferably based on the normalized difference between two signals (U 1 -U 2 ) / (U 1 + U 2 ).
  • Correspondingly reduced embodiments of the optical circuit from FIG. 1 are shown in FIGS. 7 and 8.
  • One of these two-channel units is required for each sensor. The branching of a certain sensor signal to one of these units takes place via an upstream wavelength multiplexer or a filter arrangement 46 (see also FIG. 10).
  • the wavelength demodulation of Bragg reflector sensors can be done with the same optoelectronic unit are carried out in phase demodulation microinterferometers or polarimetric sensors comes.
  • pro Sensor element already has two channels since only two unknowns can be determined (Intensity, wavelength). Two channels are therefore sufficient for each sensor element Determination of the absolute value of the wavelength.
  • Two embodiments of Two-channel demodulation units are shown in FIGS. 7 and 8.
  • FIG. 10 shows an embodiment for reading a Bragg reflector with a wavelength demodulation unit with two channels for output signals U 1 , U 2 .
  • the wavelength multiplexer 46 allows the separation of signals from several Bragg reflectors of different center wavelength ⁇ i (according to FIG. 9) to their own demodulation units 42.
  • FIG. 11 shows an embodiment for a single Bragg reflector sensor with light source 1, 3x3 directional coupler 43, bandpass filter 15, which can be designed, for example, as an etalon, and lens-photodiode pairs 12, 16 and 13, 17, the latter in above described tiltable. Furthermore, a Lyot depolarizer 44 is provided, with which a reduction in the sensor sensitivity due to polarization splitting of the Bragg spectrum is compensated for when the Bragg reflector is subjected to anisotropy.
  • FIG. 12 shows the spectral properties of the interference filter or etalon transmission curves with center wavelengths ⁇ 1 .
  • ⁇ 2 Flank slopes A, -B and the Bragg reflex center wavelength ⁇ B , spectral width ⁇ B (half-width) are shown.
  • ⁇ ⁇ 0 + ⁇ m
  • the phase difference of the quadrature signals therefore changes by the factor ⁇ ⁇ ⁇ 10 -2 slower with L than the phase ⁇ of the individual interference signal according to the above equation and can therefore be used as a measure for the absolute phase position and thus for the initialization of the interferometer with simultaneous measurement in addition to the high-resolution phase measurement.
  • the wavelength difference ⁇ can be adjusted by defining the angle ⁇ 2 so that, for example, the quadrature condition is fulfilled.
  • the current tilt angle difference to the initial angle ⁇ 20 of the collimation lens assigned to the signal U 2 ( ⁇ 2 ) is then the measure for the absolute phase or the absolute change in distance ⁇ L in relation to the initial distance L 0 .
  • the phase calculation is carried out using known algorithms, with an arctan function essentially being used in the case of the microinterferometer and the polarimetric sensors.
  • the initially unknown interference strip order m (or the absolute phase) can be determined with the aid of a further, known "phase stepping" algorithm.
  • tan ⁇ / 2 3 [ I 2 - I 3 ] - [ I 1 - I 4 ] 3 [ I 2 - I 3 ] + [ I 1 - I 4 ]
  • ⁇ phase difference between two out of four interference signals.
  • the phase difference ⁇ 4 ⁇ nL / ⁇ 2, which is constant except for the wavelength dependency, between two adjacent positions corresponds to a constant wavelength difference ⁇ .
  • a further possibility for determining the absolute value or initializing the demodulation unit after switching on with an accuracy of approximately one interference fringe ( ⁇ / 2) is possible if the signal is not influenced by a measured variable during the period required for this (order of magnitude 1 sec).
  • a technical prerequisite is therefore the step-by-step recording of the interference signal with the typical periodic intensity curve over more than a quarter of a period by passing through a sufficiently large wavelength range by tilting the central light beam (wavelength ⁇ 2 , movable armature 24 with line 13 and photodiode 17 in the filter holder 22).
  • the guaranteed stable distance L of the interferometer is proportional to the phase ⁇ .
  • FIG. 13 A third variant for installing / determining the absolute value of the interferometer distance L is shown in FIG. 13 and is based on the integration of a reference interferometer 112 in the demodulation unit parallel to the optical bandpass filter unit, which is required for the high-resolution measurement operation.
  • a temperature-stabilized reference interferometer housing 110 can be modulated with regard to its length L R means of an electrically driven piezoelectric Translators 114th
  • the reference interferometer is integrated as an example in a photonic circuit according to FIG. 6; however, installation is also possible in all other variants.
  • the interference signal is coupled into the reference interferometer 110 by means of the electronically controllable fiber-optic switch 100.
  • the microinterferometer 112 is suitable at two points of the PZT fixed so that the PZT deflection is transferred identically to the interferometer and thus the distance L R.
  • L R is calibrated in comparison to the piezo deflection usually measured by means of electrical strain gauges.
  • a complete sensor system with three Bragg reflector sensor elements can also be used different reflection wavelength in a fiber, one SLD or ELED light source and a demodulation unit to generate the at least two signals per sensor element.
  • the wavelength demodulation of Bragg reflector sensors can be used the same optoelectronic unit can be carried out at the Phase demodulation of microinterferometers or polarimetric sensors is used.
  • Two channels are sufficient for each sensor element, since only two unknowns are sufficient are determined (intensity, wavelength). Two per sensor element are therefore sufficient Channels for determining the absolute value of the wavelength.
  • Two Embodiments of two-channel demodulation units are shown in FIG. 10 and 11 are shown.
  • Narrow-band interference (bandpass) filters can also be used, but are not as advantageous due to their inner substrate layer structure in connection with the high coherence length. Due to the high sensor coherence length ⁇ 2 / ⁇ B , Fabry-Perot etalons are used as bandpass filters instead of standard interference filters (which lead to interference). The spectral conditions relating to the filter and Bragg reflector are shown in FIG.
  • F 1 ( ⁇ ) A ( ⁇ - ⁇ 01 )
  • F 2 ( ⁇ ) - B ( ⁇ - ⁇ 02 )
  • S ⁇ B - ⁇ F + ⁇ B ⁇ F / 2
  • the sensor sensitivity is greater the smaller the distance ⁇ F of the filter center wavelength.
  • the coherence length increases with the decrease in the spectral interference signal width (Bragg reflector typically ⁇ B ⁇ 0.3 nm).
  • a commercially available interference filter as an optical bandpass, due to its layered substrate structure, this leads to interference in the form of modulations on the filter characteristic.
  • One solution to the problem is to use a Fabry-Perot etalon as a band pass, since this consists of a single layer with mirrored end faces.
  • the task is a suitable dimensioning for the application required here, which consists in the generation of at least two correlated signals of different intensities, from which a signal proportional to the Bragg wavelength is generated by means of calculation.
  • h etalon thickness (distance between the mirrored surfaces)
  • n ' refractive index of the material in the etalon
  • ⁇ ' angle of incidence of the incoming (broken) beam in the etalon.
  • ⁇ 1 0 °
  • ⁇ 2 ⁇ ' 2 .
  • ⁇ 2 ⁇ 0.57 nm or 5.7 nm results. This means a (commercially available) etalon thickness (distance between the mirrors) of h ⁇ 0.1 mm is suitable for our purposes.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung interferometrischer Messungen. Um mit relativ geringem Aufwand und insbesondere geringen Kosten eine genaue Messung zu erreichen, wird eine Vorrichtung vorgeschlagen mit einem Verfahren zum Durchführen interferometrischer Messungen, bei dem Licht einer Interferometersensoreinrichtung oder polarimetrischen Sensoreinrichtung (19) zugeführt wird, das von der Interferometersensoreinrichtung oder polarimetrischen Sensoreinrichtung abgegebene Licht in mindestens zwei Strahlengänge (9, 10, 11) aufgeteilt wird, die unter verschiedenen Einfallswinkeln (1, 2, 3) durch einen optischen Bandpassfilter (15) geleitet werden, und die durch den optischen Bandpassfilter gelangten Strahlengänge quantitativ gemessen werden und die Messung ausgewertet wird, wobei mindestens ein Einfallswinkel eines Strahlenganges (10) verstellt wird und Messungen bei verschiedenen Werten des Einfallwinkels vorgenommen werden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung interferometrischer Messungen.
Interferometrische und polarimetrische Sensoren besitzen Ausgangssignale mit sin2 - und cos2 -förmiger Abhängigkeit der messgrößeninduzierten Phasendifferenz zwischen der Messlichtwelle und der Referenzlichtwelle. Sie sind infolge dessen nichtlinear und periodisch, was ihre Auswertung erschwert. Bragg-Reflektor-Sensoren weisen eine dehnungs- und temperaturabhängige Wellenlängenverstimmung ihres spektralen Reflexionsmaximums auf, was eine hochaufgelöste Wellenlängenmessung erfordert.
Hierzu werden spezielle Demodulationsverfahren zur Arbeitspunktstabilisierung bei Kleinsignalauslesung und zur Erzielung der Eindeutigkeit der Messgrößenänderung bei großen Phasenänderungen benötigt. Dies ist insbesondere auf Grund des sogenannten Signal-fadings des periodischen Interferenzsignals auf Grund von Temperaturdrifteffekten notwendig, bei dem das Messsignal bei maximaler und minimaler Intensität jeweils verschwindet. Weiterhin bewirkt die Periodizität bei großen Phasenänderungen eine Uneindeutigkeit des Ausgangssignals bezüglich des Vorzeichens. Eine an den Interferometerausgang angeschlossene Photodiode zur elektronischen Weiterverarbeitung registriert die dieselben Hell-Dunkel-Wechsel unabhängig von der Richtung der Messgrößenänderung.
Zur Lösung dieses Problems sind bereits verschiedene Anstrengungen unternommen worden. In Applied Optics 30 (1991) 4026-4033 "Synthetic wavelength stabilization for two color laser-diode interferometry" wird vorgeschlagen, zwei Lichtquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge zu verwenden, wobei bei der vorgeschlagenen Messanordnung das bei einer Wellenlänge λ1 ermittelte Signal gerade eine minimalen Wert annimmt, wenn das mit der zweiten Wellenlänge λ2 ermittelte Signal gerade ein maximales Signal bewirkt. Durch eine geeignete Kombination der Messausgänge oder eine periodische Umschaltung zwischen den beiden Wellenlängen kann eine trägerfrequenzmodulierte Phasenmessung mit vorzeichenrichtiger Auslesung erreicht werden.
Nachteilhaft an einem derartigen System sind die relativ hohen Kosten auf Grund der beiden Lichtquellen und zusätzlichen Einrichtungen hierzu.
In der DE 196 28 200 A1 wird ein System gezeigt, bei dem das Licht einer einzigen Lichtquelle einem Interferometer oder polarimetrischen Sensor zugeführt wird, das von diesem Sensor wieder abgegebene Licht in zwei oder mehr Strahlengänge unterteilt wird und in jedem Strahlengang jeweils einen justierbares Interferenzfilter mit unterschiedlicher Zentralwellenlänge vorgesehen ist. Durch geeignete Kippwinkeleinstellungen der unterschiedlichen Interferenzfilter können die mindestens zwei ausgekoppelten Interferenzsignale in Quadratur, das heißt 90 Grad Phasendifferenz, gebracht werden. Die durch das Interferenzfilter gelangten Strahlengänge werden jeweils von einer Messeinrichtung zur quantitativen Messung erfasst.
Nachteilig an diesem System ist der relativ hohe Aufwand, der durch die Verwendung der mindestens zwei getrennten Strahlengänge mit der erforderlichen genauen Verstellbarkeit der jeweiligen Interferenzfilter. Weiterhin ist bei diesem System eine Kühlung der Lichtquelle notwendig, um eine konstante Lichtleistung und Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle zu erreichen.
Zu einem ganz anderen Verwendungszweck, nämlich für ein einstellbares Filterelement, wird in der US-PS 5,646,399 ebenfalls das Licht einer Lichtquelle mit einem Strahlteiler in drei Strahlengänge unterteilt und dann auf ein dielektrisches mehrschichtiges Folienfilter gegeben. Dadurch sollen bestimmte Wellenlängenanpassungen möglich werden. Für interferrometrische Messungen ist eine solche Konzeption weder gedacht noch geeignet, da die Fertigungstoleranten der Filterelemente, zum Beispiel die Inhomogenität der Beschichtung und die Schwankungen des Brechungsindex, keine Vorausberechnungen der Einfallswinkel zulassen würden. Auch ist der theoretische, physikalische Zusammenhang zwischen dem Kippwinkel einer solchen Folie und der Verschiebungswellenlänge kompliziert und auf jeden Fall nicht linear, so dass keine geeigneten Signale erzeugt werden können, um interferrometrische Messungen durchzuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik Verbesserungen zu schaffen und insbesondere mit geringem Aufwand ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung interferometrischer Messungen zu schaffen, mit denen Messsignale eines Interferometers oder polarimetrischen Sensors mit genau einstellbaren, unterschiedlichen Wellenlängen vermessen werden können. Hierbei sollen die Interferenzsignale vorteilhafterweise in eine Phasenbeziehung (zum Beispiel Quadratur) gesetzt werden und eine genaue Bestimmung der Phasenänderungen ermöglicht werden. Gleichzeitig soll vorteilhafterweise mit dieser Vorrichtung die genaue Wellenlänge eines λ-modulierten Bragg-Reflektor-Sensors bestimmbar sein.
Diese Aufgabe wird zum einen gelöst durch ein Verfahren, bei dem Licht einer Interferometersensoreinrichtung oder polarimetrischen Sensoreinrichtung zugeführt wird, das von der Interferometersensoreinrichtung oder polarimetrischen Sensoreinrichtung reflektierte oder transmittierte Licht in mindestens zwei Strahlengängen aufgeteilt wird, die unter verschiedenen Einfallswinkeln durch einen optischen Bandpassfilter geleitet werden, und die durch den optischen Bandpassfilter gelangten Strahlenbündel quantitativ gemessen werden und die Messung ausgewertet wird, wobei mindestens ein Einfallswinkel eines Strahlenganges verstellt ist und Messungen bei verschiedenen Werten des Einfallwinkels vorgenommen werden.
Weiterhin wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung, mit einer Lichtquelle, einer Interferometersensoreinrichtung oder polarimetrischen Sensoreinrichtung, einer Strahlenteilereinrichtung zum Aufteilen von der Interferometersensoreinrichtung oder polarimetrischen Sensoreinrichtung abgegebenen Strahlung in mindestens zwei Strahlengänge, einem optischen Bandpassfilter, das in den Strahlengängen angeordnet ist, Photodetektoren in den Strahlengängen zum quantitativen Messen des durch den Bandpassfilter gelangten Lichtes der Strahlengänge, und einer Datenverarbeitungseinrichtung zum Verrechnen von Messsignalen der Photodetektoren mittels eines geeigneten Algorithmus.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass nicht mehrere, in den jeweiligen Strahlengängen vorgesehene Filter einzeln gekippt werden, sondern die Strahlengänge unter verschiedenen Winkeln durch ein gemeinsames Filter geleitet werden. Hierdurch wird bereits eine deutliche Vereinfachung des Aufbaus und eine Kostenreduzierung erreicht.
Weiterhin können der gemeinsame Filter und ergänzend verwendete Bündelungseinrichtungen, zum Beispiel Gradientenindexlinsen, in einem gemeinsamen Block untergebracht werden, so dass Fehler auf Grund zum Beispiel unterschiedlicher Filtereigenschaften oder unterschiedlicher Winkeleinstellungen sowie Stabilitätsprobleme minimal gehalten werden.
Erfindungsgemäß kann insbesondere eine breitbandige Lichtquellung, wie zum Beispiel eine kantenemittierende Leuchtdiode oder eine Superlumineszenzdiode ohne Stabilitätsprobleme verwendet werden mit Linienbreiten von zum Beispiel 50 bis 100 nm ohne interne Strom- und Temperaturstabilisierung.
Das Licht wird einem oder mehreren Interferometersensoren beziehungsweise polarimetrischen Sensoren zugeführt, was zum Beispiel durch eine geeignete Kopplungseinrichtung, zum Beispiel eine 4x4-, drei 2x2- oder eine 3x1- und eine 2x2-Kopplungseinrichtung erreicht werden kann. Das von dem Sensor beziehungsweise den Sensoren zurückgestrahlte Licht wird über die Kopplungseinrichtung in mindestens zwei, vorteilhafterweise drei Strahlengänge unterteilt und dem gemeinsamen Filter zugeführt, das vorteilhafterweise in einem Filterblock vorgesehen ist, der eine feste Aufnahme der zugeführten Glasfasern und genaue Justierung der Bündeleinrichtungen ermöglicht.
Als optisches Bandpassfilter kann neben einem Interferenzfilter auch ein Fabry-Perot-Etalon verwendet werden. Bei Vermessung mittels Interferometer-Sensoren kann insbesondere ein arctan-Verfahren zur Ermittlung einer Phasendifferenz verwendet werden. Hierfür kann insbesondere eine Quadraturbeziehung der Messsignale eingestellt werden. Die Bestimmung der Wellenlänge eines Bragg-Reflektor-Sensors kann über den Quotienten der Messsignale erfolgen.
Erfindungsgemäß kann insbesondere eine Lichtquelle ohne Kühlung verwendet werden. Um die Veränderung der Lichtleistung und Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle auf Grund der Temperaturänderung zu kompensieren, kann hierzu erfindungsgemäß die Stromzuführung derartig geändert werden, dass zumindest eine weitgehende Kompensation erreicht wird. Hierzu kann als Messfühler zum Beispiel ein NTC-Transistor in einer geeigneten Verstärkerschaltung verwendet werden. Somit ist die beim Stand der Technik erforderliche aufwendige Peltier-Kühlung nicht mehr notwendig, was zu einer weiteren Kostenverringerung und Vereinfachung des Aufbaus führt.
Erfindungsgemäß können insbesondere drei Strahlengänge verwendet werden, die unter unterschiedlichen Einfallswinkeln auf das optische Bandpassfilter eingestrahlt werden. Hierbei wird vorteilhafterweise die mittlere Mittenwellenlänge durch Verkippung des Einfallswinkels verändert, wobei eine symmetrische Anordnung der unteren und oberen Wellenlänge mit gleichen Abständen zu der mittleren Mittenwellenlänge angestrebt wird. Neben der relativen Phasenänderung (ab dem Einschaltzeitpunkt des Gerätes) kann das Interferenzsignal erfindungsgemäß als Option im Hinblick auf die im Signal enthaltene Information zur absoluten (Anfangs-) Phasenlage ausgewertet werden. Dies vereinfacht die Initialisierung der Demodulation (Eingabe der anfänglichen Interferenzstreifenordnung bei Abweichung vom Quadraturwert) und ist hilfreich beim Anschluss mehrerer Sensorenelemente an das Gerät. Hierfür eignet sich eine schrittweise Wellenlängenverstimmung der mittleren der drei Wellenlängen bei gleichzeitiger Analyse der gemessenen Signale oder alternativ ein in das Gerät integriertes Referenzinterferometer. Das Interferenzsignal wird bei der letzten Variante mittels eines faseroptischen Schalters vor dem Einkoppeln in die optische Bandpassfiltereinheit zu einem Referenzinterferometer verzweigt.
Erfindungsgemäß kann das Gerät vorteilhafterweise zur Reduzierung der Kosten beim Einsatz mehrerer Sensorelemente (wo ansonsten für jeden Sensor eine Demodulationseinheit eingesetzt wird) um einen elektronisch umschaltbaren faseroptischen Schalter (wie sie in der Telekommunikation üblich sind) in einem der optischen Ausgänge ergänzt werden, der ein Umschalten (Multiplexen) zwischen 2 bis 16 Sensorelementen erlaubt. Diese Erweiterung erfolgt vorteilhafterweise in Kombination mit Initialisierungsverfahren.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
den Aufbau einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Figur 2
den beispielhaften Aufbau einer erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung zur Stromzuführung zu der Lichtquelle;
Figur 3
ein Beispiel eines Spektralverlaufs des Spektrums der Lichtquelle und der Transmissionsspektren der optischen Bandpasseinrichtung für die verschiedenen Strahlengänge;
Figur 4
einen Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform mit der optischen Bandpasseinrichtung, Strahlenzuführung und Messeinrichtungen;
Figur 5
eine zu Figur 1 alternative weitere Ausführungsform;
Figur 6
eine zu Figur 1 alternative Ausführungsform mit drei 2x2-Kopplern;
Figur 7
eine weitere Alternative zu Figur 1 mit drei 2x2-Kopplern;
Figur 8
eine weitere Alternative zu der Ausführungsform von Figur 1 mit faseroptischem Schalter zum Umschalten zwischen 2 bis 16 Sensorelementen;
Figur 9
eine weitere Ausführungsform der Erfindung;
Figur 10
eine weitere Ausführungsform der Erfindung;
Figur 11
eine weitere Ausführungsform der Erfindung;
Figur 12
den Wellenlängenverlauf bei einer Bragg-Wellenlängendemodulation gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Figur 13
eine Ausführungsform mit einem Referenzinterferometer und faseroptischem Schalter zum Umschalten zwischen optischer Bandpasseinrichtung (Filterblock) und Referenzinterferometer.
Gemäß Figur 1 wird eine Lichtquelle 1, zum Beispiel eine kantenemittierende Leuchtdiode ELED mit Linienbreiten von zum Beispiel 100 nm oder einer Superlumineszenzdiode mit einer Linienbreite von 15 bis 40 nm, zum Beispiel im infraroten Spektralbereich mit Wellenlängen von 800 bis 1500 nm verwendet. In Figur 3 ist hier beispielhaft der Spektralverlauf, in Abhängigkeit der Wellenlänge in der Kurve a gezeigt,
Der Lichtquelle 1 wird von einer Stromquelle 2 Strom zugeführt. Ein Temperaturfühler 3 misst hierbei die Temperatur im Gehäuseinneren, wobei die gemessene Temperatur an die Stromquelle 2 weitergegeben wird.
Das von der Lichtquelle 1 ausgegebene Licht wird über einen Lichtleiter 20 zu einem 4x4-Koppler 4 geführt. Der Koppler kann in an sich bekannter Weise durch Verwendung verschmolzener Glasfasern ausgebildet sein. Aus dem Koppler 4 werden vier Lichtleiter 5, 6, 7 herausgeführt, von denen zum Beispiel einer mit einem Sensor 19 an einem der optischen Anschlüsse die P1, P2, P3, P4 verbunden ist. Dieser Sensor kann interferometrisch, polarimetrisch oder Bragg-Reflektor-Sensor sein, der mit den optischen Fasern 5, 6, 7, 8 über optische Anschlüsse verbunden ist. Das von dem Sensor wieder ausgesandte Licht wird zurück über die optischen Fasern 5, 6, 7, 8, den Richtkoppler 4 und über Kopplerarme 9, 10, 11 zu als Bündeleinrichtungen wirkende Gradientenindexlinsen 12, 13, 14 führt. Diese zum Beispiel als Selfoc-Linsen ausgebildeten Linsen leiten das Licht jeweils unter verschiedenen Einfallswinkeln ϑ1, ϑ2, ϑ3 auf einen optischen Bandpassfilter 15. Die von dem Bandpassfilter 15 durchgelassene Strahlung wird jeweils von einem Photodetektor, zum Beispiel einer Photodiode 16, 17, 18 aufgenommen. Als Messgröße kann hierbei jeweils eine Ausgangsspannung U1, U2, U3 gemessen werden.
Der optische Bandpassfilter kann zum Beispiel ein Interferenzfilter oder ein Fabry-Perot-Etalon sein.
Der Temperaturfühler kann zum Beispiel ein Thermoelement oder ein NTC-Widerstand sein.
Figur 2 zeigt ein Beispiel einer Treiberschaltung für die Leuchtdiode 1, bei der mit Hilfe des Operationsverstärkers OP1 die Treiberschaltung der ELED1 derartig kompensiert wird, dass der Intensitätsabfall und die Wellenlängenverschiebung durch Erhöhung der Stromstärke kompensiert wird. Hierbei sind R1, R2, R3, R4 geeignete ohmsche Widerstände, Z1 eine geeignete Zenerdiode, 3 ein NTC-Widerstand, P1 ein geeignetes Potentiometer, C9, C10 geeignete Kondensatoren, D1 eine geeignete Diode und P1 ein geeigneter Transistor. Als Versorgungsspannungen können zum Beispiel -5 Volt und + 5 Volt gewählt werden.
Bei den algorithmischen Berechnungsverfahren müssen die relativen Transmissionsamplituden der drei Filtercharakteristiken beziehungsweise das Verhältnis der Flankensteilheiten konstant bleiben. Um dies trotz der mit der Diodenstromänderung verbundenen Verschiebung des Maximums des ELED-Spektrums zu höheren Wellelängen zu gewährleisten, liegen vorteilhafterweise die Filter-Mittenwellenlängen λF durch Wahl geeigneter Winkel ϑ1, ϑ2, ϑ3 auf der langwelligen Flanke des ELED-Spektrums, wie in Figur 3 gezeigt ist.
Für die Phasendemodulation bei Interferenzsensoren mittels der arctan-Prozedur müssen die Wellenlängenabstände der kleineren Wellenlänge λ1 und der größeren Wellenlänge λ3 zu der mittleren Wellenlänge λ2 derartig liegen, dass λ1(ϑ1)-λ2(ϑ2)=λ2(ϑ2)-λ3(ϑ3) gilt. Für die Bragg-Wellenlängendemodulation muss der Schnittpunkt der (linearen) Flanken der Spektren von zwei Transmissionscharakteristiken in der Nähe der Bragg-wellenlänge λB liegen, wie beispielhaft in Figur 9 gezeigt. Erfindungsgemäß ist hierfür mindestens eine der Linsen 12, 13, 14 bezüglich ihres Winkels zur Filternormalen verstellbar.
Eine Anordnung zur Aufnahme eines Bandpassfilters, der Gradientenindexlinsen sowie der dazugehörigen Photodioden und zur Winkelverstellung eines der drei Lichtbündel durch das Filter ist in Figur 4 beispielhaft gezeigt. Eine Filterhalterung 22 mit einer runden Öffnung 23 zur Aufnahme des Filters 15 weist einen drehbaren Anker 24 zur Aufnahme einer Gradientenindexlinse 13 und der dazugehörigen Photodiode 17 auf. Ein Gehäuseblock 26 weist eine durchgehende Öffnung 27 zur Aufnahme des Ankers 24 auf. Der Gehäuseblock 26 kann auf den Sockel der Filterhalterung 22 derartig gestellt werden, dass die Gradientenindexlinsen 12, 14 angeschlossen werden können und der Strahlengang von den Linsen 12, 14 zu den entsprechenden Photodioden 16, 18 durch den Bandpassfilter 15 verlaufen.
Hierbei kann ein Winkel ϑ2 zur Flächennormale des Bandpassfilters 15 verstellt werden, wo hingegen die Einstellwinkel der Dioden 12, 14 konstant bleiben.
Hierbei sind die Winkel ϑ1, ϑ2, ϑ3 bezüglich der Flächennormalen des Filters 15 unterschiedlich, sodass die effektive Wellenlänge λF von (ϑi) hinter dem Filter für jedes Lichtbündel etwas niedriger als λF ist.
Die Verstellung des Ankers 24 in Figur 4 kann beispielsweise über eine Verstellvorrichtung 28, die zum Beispiel als Feingewinde-Mikrometerschraube mit entsprechender Skalierung oder als Mikrokontroller-gesteuerter Schrittmotor ausgebildet ist, vorgenommen werden. Hierdurch ist eine quantitativ reproduzierbare Wellenlängenverstellung möglich.
Bei der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform ist anstelle des in Figur 1 gezeigten 4x4-Kopplers eine Kombination eines 2x2-Kopplers 34 und eines 3x1-Kopplers 35, vorgesehen. An den Ausgangsarmen 36 des Kopplers 34 ist als Sensor zum Beispiel ein Mikrointerferometer-Dehnungssensor 37 angeschlossen. Die höhere Komplexität dieser photonischen Schaltung durch Verwendung von zwei Richtkopplern anstelle eines Kopplers von Figur 1 wird durch den Vorteil der höheren Nutzintensität der in das Filter eintretenden Lichtbündel 12, 13, 14 aufgewogen: 1/12 der in den Koppler 34 von der Lichtquelle 1 eingekoppelten und vom Sensor 37 reflektierten Intensität anstelle 1/4 · 1/4 = 1/16 im Fall von Figur 1. Anstelle des in Figur 1 gezeigten 4x4-Kopplers oder der in Figur 5 gezeigten 2x2- und 3x1-Koppler lässt sich auch eine geeignete Kombination von zum Beispiel drei 2x2-Kopplern einsetzten.
Bei der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform ist die in Figur 1 gezeigte photonische Schaltung mit einem 4x4-Koppler 34 bzw. die in Figur 5 gezeigte Ausführungsform mit 2x2- und 1x3- (bzw. 3x3-) Koppler durch eine Kombination aus drei 2x2-Richtkopplern ersetzt. Sie sind bezüglich ihrer Koppelverhältnisse so spezifiziert, dass die in den optischen Bandpassfilter eintretenden Lichtintensitäten maximiert und für alle drei Kanäle gleich sind (Kopplerverhältnis 1:1, 1:2, 1:1): wie in der photonischen Schaltung von Figur 5 beträgt die Lichtleistung der in den optischen Bandpassfilter eingestrahlten Lichtbündel 1/12 der in Koppler 34 von Quelle 1 eingekoppelten und von dem Sensorelement reflektierten Intensität. Die gegenüber Figur 5 nochmals erhöhte Komplexität der photonischen Schaltung wird durch den üblicherweise geringeren Preis der 2x2-Koppler und die bessere Verfügbarkeit im Vergleich zu den 3x3-Kopplern aufgrund der breiten Anwendung im Telekom-Bereich aufgewogen.
Figur 7 zeigt eine weitere Variante einer photonischen Schaltung mit drei 2x2-Richtkopplern unterschiedlicher Koppelverhältnisse bei Maximierung der für die drei Kanäle gleichen Ausgangsintensität (Koppelverhältnisse 1:3, 1:2, 1:1): Ausgangsleistung wiederum 1/12 der in Koppler 34 von Quelle 1 eingekoppelten und von dem Sensorelement reflektierten Leistung.
Die in Figur 5 gezeigte Datenverarbeitungseinrichtung ist für alle Ausführungsformen geeignet. Ein Microcontroler 38 wandelt die Ausgangsspannungen U1, U2, U3 der Photodetektoren über Analog-Digital-Wandler ADC1, ADC2, ADC 3 in Digitalsignale um. In dem Microcontroler sind für die verschiedenen Sensortypen, das heißt insbesondere Mikrointerferometer, Bragg-Reflektor-Sensoren unterschiedliche Demodulationsalgorithmen implementiert.
Figur 8 zeigt eine Anordnung mit einem elektronisch ansteuerbaren faseroptischen Umschalter 90 in einem der vier Ausgangsarme von Richtkoppler 4 (nur ein Ausgangsarm ist gezeigt) zur alternativen Auslegung von zwei an die Demodulationseinheit angeschlossenen Sensorelementen an P1, P2, wobei beispielhaft die photonische Schaltung in Figur 5 herangezogen wurde. Umschalter mit bis zu 16 Ausgangskanälen sind z. Z. verfügbar, so dass ein Multiplexbetrieb mit entsprechend vielen Sensoren möglich ist. Der elektronisch ansteuerbare Umschalter wird vorteilhaft über den Microcontroller der Demodulationseinheit aktiviert, kann aber auch durch einen manuell ausgelösten elektrischen Impuls zwischen den Kanälen P1, P2 hin- und hergeschaltet werden.
Gemäß Figur 9 sind mehrere Bragg-Reflektor-Sensoren 39, 40, 41 in Reihe geschaltet, die unterschiedliche Braggwellenlängen λ1, λ2, λ3 aufweisen. Als Demodulationseinheit 42 können zum Beispiel ein oder mehrere der in Figur 4 gezeigten Vorrichtungen in Kombination mit einem geeigneten, vorgeschalteten Richt-Koppler wie zum Beispiel 35 verwendet werden. Zur Bragg-Reflektor-Auslesung werden allerdings nur zwei der drei Signale benötigt, da die Demodulation vorzugsweise auf der normierten Differenz von zwei Signalen beruht (U1-U2)/(U1+U2). Entsprechend reduzierte Ausführungsformen der optischen Schaltung von Figur 1 sind in den Figuren 7 und 8 gezeigt. Eine dieser Zwei-Kanal-Einheiten ist pro Sensor erforderlich. Die Verzweigung eines bestimmten Sensorsignals zu einer dieser Einheiten erfolgt über einen vorgeschalteten Wellenlängenmultiplexer bzw. eine Filteranordnung 46 (s. a. Fig. 10).
Die Wellenlängendemodulation von Bragg-Reflektor-Sensoren kann mit derselben optoelektronischen Einheit durchgeführt werden, die bei der Phasendemodulation von Mikrointerferometern oder polarimetrischen Sensoren zum Einsatz kommt. Für eine intensitätsunabhängige Wellenlängenbestimmung reichen pro Sensorelement bereits zwei Kanäle, da nur zwei Unbekannte zu ermitteln sind (Intensität, Wellenlänge). Pro Sensorelement reichen deshalb zwei Kanäle zur Bestimmung des Absolutwerts der Wellenlänge. Zwei Ausführungsformen von Zweikanal-Demodulationseinheiten sind in der Figur 7 und 8 gezeigt.
Auf das Prinzip der Wellenlängendemodulation mittels Filtern wird im weiteren Text näher eingegangen.
Figur 10 zeigt eine Ausführungsform für die Auslesung eines Bragg-Reflektors mit einer Wellenlängendemodulationseinheit mit zwei Kanälen für Ausgangssignale U1, U2. Der Wellenlängenmultiplexer 46 erlaubt die Auftrennung von Signalen mehrerer Bragg-Reflektoren unterschiedlicher Mittenwellenlänge λi (nach Figur 9) zu jeweils eigenen Demodulationseinheiten 42.
In Figur 11 ist eine Ausführungsform für einen einzigen Bragg-Reflektor-Sensor mit Lichtquelle 1, 3x3 Richtkoppler 43, Bandpassfilter 15, das beispielsweise als Etalon ausgeführt sein kann, sowie Linsen-Photodiodenpaaren 12, 16 und 13, 17 gezeigt, wobei letzteres in oben beschriebener Weise verkippbar ist. Weiterhin ist ein Lyot-Depolarisator 44 vorgesehen, mit dem eine Reduzierung der Sensorempfindlichkeit auf Grund von Polarisationsaufspaltung des Bragg-Spektrums bei anisotroper Belastung des Bragg-Reflektors kompensiert wird.
In Figur 12 sind die spektralen Eigenschaften der Interferenzfilter- beziehungsweise Etalon-Transmissionskurven mit Mittenwellenlängen λ1, λ2 Flankensteigungen A,-B und des Bragg-Reflexes (Mittenwellenlänge λB, spektrale Breite δλ B (Halbwertsbreite) gezeigt.
Bei einem extrinsischen Fabry-Perot-Mikrointerferometer oder polarimetrischen Sensor, zum Beispiel einem Vibrationssensor oder Dehnungssensor, ist die Phasendifferenz zwischen den beiden interferierenden, reflektierten Lichtwellen in einem Fabry-Perot niedriger Finesse (niedriger Spiegelreflektivität) von der Wellenlänge λ abhängig gemäß: Φ=4πnL λ
Φ ist eine Summe aus konstanten Anteil Φ0 und einem durch eine Messgröße modulierten, üblicherweise wesentlich kleineren Anteil (Δ Φm~ Δ(nL)) (wobei Brechungsindex n = 1 für Mikrointerferometer). Φ=Φ0 + ΔΦm
Die Quadraturbedingung wird bei feststehenden Filterwinkeln ϑ1, ϑ2, nur für die Ruhephase Φ0 (Interferometerlänge L0) erfüllt. Auf Grund der Abhängigkeit der Quadraturbedingung von L verändert sich die Phasendifferenz ΔΦ12=Φ1-Φ2 mit messgrößeninduzierter Änderung von L gemäß ΔΦ12=22πΔλn λ1λ2 L
Die Phasendifferenz der Quadratursignale ändert sich also um den Faktor Δλλ ≈10-2 langsamer mit L als die Phase Φ des einzelnen Interferenzsignals gemäß der obigen Gleichung und kann deshalb bei gleichzeitiger Messung in Ergänzung zur hochauflösenden Phasenmessung als Maß für die absolute Phasenlage und damit zur Initialisierung des Interferometers herangezogen werden. Die Wellenlängendifferenz Δλ kann durch definierte Einstellung des Winkels ϑ2 so nachgestellt werden, dass zum Beispiel die Quadraturbedingung erfüllt ist. Die aktuelle Kippwinkeldifferenz zum Anfangswinkel ϑ20 der dem Signal U2(λ2) zugeordneten Kollimationslinse ist dann das Maß für die absolute Phase beziehungsweise die absolute Abstandsänderung ΔL in Bezug zum Anfangsabstand L0. Die Phasenberechnung erfolgt mittels bekannter Algorithmen, wobei im Fall der Mikrointerferometer und der polarimetrischen Sensoren im Wesentlichen eine arctan-Funktion zum Einsatz kommt.
Für eine Initialisierung des Sensors nach dem Einschalten kann die zunächst unbekannte Interferenzstreifenordnung m (beziehungsweise die absolute Phase) mit Hilfe eines weiteren, bekannten "phase stepping"-Algorithmus ermittelt werden. tanα/2= 3[I 2-I 3]-[I 1-I 4]3[I 2-I 3]+[I 1-I 4] wobei α = Phasenunterschied zwischen jeweils zwei von vier Interferenzsignalen. Zur Ermittlung der vier Intensitäten I1 - I4 wird der bewegliche Anker der Filterhalterung mit der Linsen-Photodiodenkombination 11, 16 vorzugsweise mittels eines Microcontroller-gesteuerten Schrittmotors in vier unterschiedliche Positionen, entsprechend vier unterschiedlichen Phasenverschiebungen ΔΦ k(λ (Θk)) = -3/2α(λ1),-1/2α(λ2), ½ α (λ3), 3/2 α (λ4) gefahren, sodass damit diese Gleichung ausgewertet werden kann. Die bis auf die Wellenlängenabhängigkeit konstante Phasendifferenz α =4πΔλ nL/λ2 zwischen zwei benachbarten Positionen entspricht einer konstanten Wellenlängendifferenz Δλ. Die Phasendifferenz ΔΦij(Λ(L)), (mit Λ = λ2/Δλ =synthetische Wellenlänge) entsprechende Phase Φ=mπ (Interferenzordnung m) erlaubt dabei eine eindeutige Bestimmung von L im Bereich der halben synthetischen Wellenlänge Λ/2≈42 µm.
Eine weitere Möglichkeit zur Absolutwertbestimmung bzw. Initialisierung der Demodulationseinheit nach dem Einschalten mit einer Genauigkeit von etwa einem Interferenzstreifen (λ/2) ist möglich, wenn das Signal während des hierfür erforderlichen Zeitraums (Größenordnung 1 sec) nicht durch eine Messgröße beeinflusst wird. Grundlage des Verfahrens ist die bekannte Abhängigkeit des spektralen Abstandes von zwei Intensitätsmaxima oder -Minima oder der Breite des quasi-periodischen spektralen Intensitätsverlaufs (gemessen als Funktion der Wellenlänge) von der Interferometerlänge L: I = I0 (1-µ(L, λ)cos {ΔΦ(L, λ)} mit der Phasenänderung ΔΦ und dem Interferenzkontrast µ. Messtechnische Voraussetzung ist demzufolge das schrittweise Aufnehmen des Interferenzsignals mit dem typischen periodischen Intensitätsverlauf über mehr als eine viertel Periode mittels Durchfahren eines hinreichend großen Wellenlängenbereiches durch Verkippen des mittleren Lichtbündels (Wellenlänge λ2, beweglicher Anker 24 mit Linie 13 und Photodiode 17 in der Filterhaltung 22) der 3-λ-Vorrichtung. Dabei ist die Phasenänderung ΔΦ bei sich ändernder Wellenlänge λ und Anfangswellenlänge λ0 entsprechend obiger Gleichung für ΔΦ12 gegeben durch ΔΦ(L,λ)= 4πL(1λ -1λ0 )
Da der Sensor während des Abfahrens der Wellenlängen nicht angeregt wird, ist der dadurch gewährleistete stabile Abstand L des Interferometers proportional zur Phase ΔΦ. Die Interferometerlänge (Abstand zwischen den Reflektoren = Resonatorlänge im Fall des Fabry-Perot's) wird entsprechend der obigen Formel für den Phasenabstand ΔΦ (L, λ) für den Fall ΔΦ(λ) = 2π (spektraler Abstand zwischen zwei Interferenzmaxima) bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen wie folgt berechnet: L =λ1λ2 2(λ1-λ2)
Die Wellenlängen λ1 und λ2 bestimmen somit L. Da in der Praxis der durch Verkippung des λ2-Lichtbündels überstreichbare Wellenlängenbereich nicht einen vollständigen Interferenzstreifen mit zwei Maxima ausmacht, wird der vermessene Abschnitt mittels einer für die jeweiligen Quellen-/Filter-Konfiguration charakteristischen, empirisch zu ermittelnden Fitfunktion modelliert (hier beispielhaft mit fünf Fitparametern): Ifit (λ)=p 0+p 1λ+p 2(λ-λ m )2+p 3 sin[4π(p4 λ -p 5)]
Eine entsprechend gestaltete Software passt dieses Modell iterativ an die gemessenen Werte an: Als erstes wird eine Analyse des spektralen Scans vorgenommen. Dazu werden die Parameter p0, p3, p4 und p5 mit Hilfe der Bestimmung der Extrema abgeschätzt und als Startparameter für die Iteration verwendet. Nun erfolgt die Variation der fünf Parameter zur Bestimmung der minimalen Standardabweichung mittels eines gebräuchlichen least-squares-Algorithmus (Methode der kleinsten Fehlerquadrate). Das 5-Parameter-Modell berücksichtigt dabei in Erweiterung der einfachen Interferometergleichung die spektralen Eigenschaften der Lichtquelle mit näherungsweise Gauß-förmigen Spektrum.
Im Fall von Mikrointerferometer-Dehnungssensoren (EFPI-) ist damit eine Absolutwertmessung mit drift- und rauschbegrenzten Genauigkeiten von der Größenordnung eines Interferenzstreifens (eine Wellenlänge) erreichbar. Dies stellt eine wichtige Ergänzung zur hochauflösenden Phasenmessung mit δ L ≈ 10 pm (abhängig von der Bandbreitenbegrenzten Rauschamplitude) dar, deren Startwert auf Grund der 2π-periodischen Interferometercharakteristik (Interferenzordnung m) prinzipiell unbekannt ist.
Eine dritte Variante zur lnitlallsierung/Absolutwertbestimmung des Interferometerabstandes L ist in Figur 13 gezeigt und beruht auf der Integration eines Referenzinterferometers 112 in der Demodulationseinheit parallel zur optischen Bandpassfiltereinheit, die für den hochauflösenden Messbetrieb erforderlich ist. Das in einem temperaturstabilisierten Gehäuse 110 untergebrachte Referenzinterferometer kann hinsichtlich seiner Länge LR mittels eines elektrisch angesteuerten piezoelektrischen Translators 114 moduliert werden. In Figur 13 ist das Referenzinterferometer beispielhaft in eine photonische Schaltung nach Figur 6 integriert; der Einbau ist jedoch auch in alle anderen Varianten möglich. Zur Initialisierung bzw. Absolutwertmessung ― vor Beginn einer hochauflösenden Messung mit der 3-λ-Methode ― wird das Interferenzsignal mittels des elektronisch ansteuerbaren faseroptischen Schalters 100 in das Referenzinterferometer 110 eingekoppelt. Die Phasenmessung und damit die Abstandsbestimmung beruht jetzt auf der bekannten Methode der Weißlichtinterferometrie, wobei sich bei Verwendung einer niedrigkohärenten Lichtquelle mit Kohärenzlänge Lc (im Fall der ELED mit typischer spektraler Breite δλ = 100 nm ist Lo = λ2/δλ ≈ 17 µm) aus einem Interferometer mit Interferometerlänge Ls ≥ Lc erst dann ein verwertbares Interferenzsignal mit hinreichendem Interferenzkontrast ergibt, wenn die Wegdifferenz Ls ≈ 20 µm der überlagerten Lichtwellen mittels eines Kompensations-(bzw. Referenz-) Interferometers auf ΔL = Ls - Lc < Lc reduziert wird. Bei ΔL = 0 ergibt sich wegen gleicher Phasenwerte von Mess- und Referenzinterferometer maximaler Interferenzkontrast µ(Φ R - ΦS ) = exp{-(Φ R - Φ s )2(δλ4ln2λ )2}
Das an dem Referenzinterferometer in Transmission mit der Photodiode 120 gemessene Interferenzsignal ist in Näherung it = 2R{1-R[3+µ(Φ R -Φ S )cos(Φ R -Φ S )]} wobei R im Fall der Mikroferometer-Sensoren die Reflektivität der Quarzglas-Luft-Grenzfläche darstellt (R ≈ 4 %). Die Absolutwertbestimmung der Phase Φs bzw. des entsprechenden Interferometerabstands L erfolgt über die Modulation des Referenzinterferometerabstands LR mittels periodischer Auslenkung des elektrisch angesteuerten Piezotranslators (PZT) 114 zur Ermittlung des Interferenzmaximums bei ΦR = Φs- Das Mikrointerferometer 112 ist dabei geeignet an zwei Punkten des PZT fixiert, so dass sich die PZT-Auslenkung identisch auf das Interferometer und damit den Abstand LR überträgt. LR wird dabei kalibriert im Vergleich zu der üblicherweise mittels elektrischem Dehnungsmessstreifen gemessenen Piezoauslenkung. Das Maximum des Interferenzsignals bei Φs = ΦR (maximaler Interferenzkontrast) erlaubt somit die Bestimmung von Ls entsprechend der Genauigkeit der Kalibrierung des Referenzinterferometers und der Genauigkeit der Bestimmung des Maximums (zum Beispiel durch Anpassen einer geeigneten Funktion mittels least-squares-Verfahren) ― üblicherweise begrenzt durch die spektralen Eigenschaften der Quelle und Phasenrauschen.
Weiterhin kann ein vollständiges Sensorsystem mit drei Bragg-Reflektor-Sensorelementen unterschiedlicher Reflexionswellenlänge in einer Faser, einer SLD oder ELED-Lichtquelle sowie einer Demodulationseinheit zur Erzeugung der jeweils mindestens zwei Signale pro Sensorelement.
Die Wellenlängendemodulation von Bragg-Reflektor Sensoren kann mit derselben optoelektronischen Einheit durchgeführt werden, die bei der Phasendemodulation von Mikrointerferometern oder polarimetrischen Sensoren zum Einsatz kommt. Für eine intensitätsunabhängige Wellenlängenbestimmung reichen pro Sensorelement bereits zwei Kanäle, da nur zwei Unbekannte zu ermitteln sind (Intensität, Wellenlänge). Pro Sensorelement reichen deshalb zwei Kanäle zur Bestimmung des Absolutwerts der Wellenlänge. Zwei Ausführungsformen von Zweikanal-Demodulationseinheiten sind in Figuren 10 und 11 gezeigt.
Das Prinzip der Wellenlängendemodulation mittels Filtern beruht auf der Differenz- und Verhältnisbildung der Bragg-Reflektor Intensitäten nach Durchgang durch zwei Kantenfilter (mit Hoch- und Tiefpass), deren Kanten bezüglich der Wellenlänge nach oben und unten gegenüber der Bragg-Wellenlänge λ B = 2neff Λ verschoben sind, Λ= Bragg-Periode und neff = effektiver Brechungsindex des Faserkerns. Auch schmalbandige Interferenz-(Bandpass-)filter sind verwendbar, jedoch aufgrund ihrer inneren Substrat-Schichtstruktur in Verbindung mit der hohe Kohärenzlänge nicht so vorteilhaft. Aufgrund der hohen Sensorkohärenzlänge λ2/δλB werden hier anstelle von Standard-Interferenzfiltern (die zu Störinterferenzen führen) Fabry-Perot-Etalons als Bandpassfilter eingesetzt. Die spektralen Gegebenheiten betreffend Filter und Bragg-Reflektor sind in Figur 12 gezeigt.
Für die praktische Realisierung der Wellenlängendemodulation sind zwei Randbedingungen zu berücksichtigen.
  • a) die Filterbandbreite δλF ist groß im Vergleich zur Bragg-Reflektor-Bandbreite δλB (volle Linienbreite bei halber Höhe, fwhm) und erlaubt eine hinreichende Variation Δλ B der Bragg-Mittenwellenlänge λB mit den relevanten Messgrößen (Dehnung, Temperatur);
  • b) die Filter-(Etalon-)Kennlinie hat einen hinreichend großen linearen Bereich (>>δλB).
    • Als Maß für die Bragg-Reflektor Mittenwellenlänge wird die normierte Intensitätsdifferenz S(λB)= u 1-u 2 u 1+u 2 genommen. Hierbei ist ui, i=1,2 die zur normierte Intensität proportionale Ausgangsspannung der Empfangseinheit u = κ IF / R I0. Die spektrale Linienform des Bragg-Reflektors kann zum Beispiel durch eine Gauß-Charakteristik mit der Standardabweichung σ B = δλB/(2 (2ln 2)) , δλB = spektrale Breite bei halbem Maximum (fwhm), angenähert werden:
    Figure 00200001
    mit dem Normierungsfaktor k=1/ 2πσ B . Für die linearen Bereiche der zwei Filter- bzw. Etalon-Kennlinien F1 (λ)=A(λ-λ01) F2 (λ)=-B(λ-λ02) ergibt sich hieraus unter der Annahme gleicher Steigungen (A=B) als Sensorkennlinie die folgende Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Bragg-Reflektor-Mittenwellenlänge λB . S = λ B -λ F +σ B Δλ F /2
    Hierbei ist λ F = (λ01+λ02)/2 der Mittelwert der beiden Filter-Mittenwellenlängen und Δλ F =λ02-λ01. Bei Verwendung des normierten Ausgangssignals ist die Sensorempfindlichkeit also um so größer, je kleiner der Abstand Δλ F der Filter-Mittenwellenlänge ist. Durch Einstellung des Schnittpunkts der linearen Filterabschnitte auf λB und Nachregelung mittels Verstellvorrichtung lässt sich eine aktive Arbeitspunktstabilisierung realisieren (closed-loop Betrieb).
    Bei Bragg-Reflektor-Sensoren und Fabry-Perot-Mikrointerferometern hoher Finesse nimmt mit der Abnahme der spektralen Interferenzsignal-Breite (Bragg-Reflektor typischerweise δλ B ≈ 0,3 nm) die Kohärenzlänge zu. Dies führt beim Einsatz eines handelsüblichen Interferenzfilters als optischem Bandpass, bedingt durch dessen schichtförmigen Substrataufbau, zu Störinterferenzen in Form von Modulationen auf der Filtercharakteristik. Eine Lösung des Problems besteht im Einsatz eines Fabry-Perot-Etalons als Bandpass, da dieses aus einer Einzelschicht mit verspiegelten Endflächen besteht. Aufgabe ist eine geeignete Dimensionierung für die hier benötigte Anwendung, die in der Erzeugung von mindestens zwei korrelierten Signalen unterschiedlicher Intensität besteht, aus denen mittels Verrechnung ein zur Bragg-Wellenlänge proportionales Signal erzeugt wird.
    Die Phasenverschiebung im Etalon ist gegeben durch δ= 4π λ n'h cos Θ' wobei h = Etalon-Dicke (Abstand zwischen den verspiegelten Flächen), n' = Brechungsindex des Materials im Etalon, Θ' = Einfallswinkel des eintretenden (gebrochenen) Strahls im Etalon. Transmissionsmaxima ergeben sich bei δ = N 2π, woraus sich N = 2n'h cos Θ'/λ ≈ 2,3103 (für h= 1 mm und Θ = 0° = senkrechte Inzidenz) ergibt. Entsprechend Figur 1 sollte der spektrale Abstand Δλ2π zwischen zwei Maxima bei N und N+1
    Figure 00220001
    möglichst groß sein, jedenfalls größer als die Bragg-Linienbreite δ B ≈ 0,3 mm und der Abstand der Etalon-Mittenwellenlängen λ1(Θ1 = 0°), λ2(Θ'2). Für h = 1 mm bzw. h = 0,1 mm ergibt sich Δλ2π = 0,57 nm bzw. 5,7 nm. Das heißt eine (handelsübliche) Etalon-Dicke (Abstand zwischen den Spiegeln) von h ≤ 0,1 mm ist für unsere Zwecke geeignet. Der Durchstimmbereich der Transmissionswellenlänge für einen maximalen Winkel Θ'= Θmax = 20° beträgt ΔλΘ = 2n'h N (cos(0) - cos(Θ)) = λ(1 - cos 20°) ≈ 45 nm.
    Bezugszeichenliste
    1
    Lichtquelle
    2
    Stromversorgung
    3
    Temperaturfühler
    4
    4x4-Koppler
    5
    Lichtleiter
    6
    Lichtleiter
    7
    Lichtleiter
    8
    Lichtleiter
    9
    Strahlengang
    10
    Strahlengang
    11
    Strahlengang
    12
    Selfoc-Linse
    13
    Selfoc-Linse
    14
    Selfoc-Linse
    15
    optischer Bandpassfilter
    16
    Photodiode
    17
    Photodiode
    18
    Photodiode
    19
    Sensoranordnung
    22
    Filterhalterung
    23
    Öffnung
    24
    Anker
    25
    Photodiode
    26
    Gehäuseblock
    27
    durchgehende Öffnung
    28
    Verstellvorrichtung
    34
    2x2-Koppler
    35
    3x1-Koppler
    36
    Ausgangsarm
    37
    Dehnungssensor
    38
    Microcontroler
    39
    Bragg-Sensor
    40
    Bragg-Sensor
    41
    Bragg-Sensor
    42
    Demodulationseinheit
    43
    3x3-Richtkoppler
    44
    Lyot-Depolarisator
    46
    Wellenlängenmultiplexer

    Claims (28)

    1. Verfahren zum Durchführen interferometrischer Messungen, bei dem Licht einer Interferometersensoreinrichtung oder polarimetrischen Sensoreinrichtung (19) zugeführt wird,
      das von der Interferometersensoreinrichtung oder polarimetrischen Sensoreinrichtung abgegebene Licht in mindestens zwei Strahlengänge (9,10,11) aufgeteilt wird, die unter verschiedenen Einfallswinkeln (ϑ1,ϑ2,ϑ3) durch einen gemeinsamen optischen Bandpassfilter (15) geleitet werden, und
      die durch den optischen Bandpassfilter gelangten Strahlengänge quantitativ gemessen werden und die Messung ausgewertet wird,
      wobei mindestens ein Einfallswinkel eines Strahlenganges (10) verstellbar ist und Messungen bei verschiedenen Werten des Einfallswinkels vornehmbar sind.
    2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
      dadurch gekennzeichnet, dass eine in dem verstellbaren Strahlengang (10) vorgesehene Bündeleinrichtung (13) und eine dazugehörige optoelektronische Wandlereinrichtung (17) starr gekoppelt verstellt werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
      dadurch gekennzeichnet, dass eine Umgebungstemperatur einer Lichtquelle (1) gemessen und eine Stromzuführung zu der Lichtquelle bei steigender Temperatur erhöht und bei fallender Temperatur verringert wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 3,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke des der Lichtquelle (1) zugeführten Stromes derartig gesteuert wird, dass eine Lichtleistung und/oder Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle zumindest im Wesentlichen konstant gehalten wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
      dadurch gekennzeichnet, dass drei Strahlengänge (9, 10, 11) verwendet werden, wobei eine obere Mittenwellenlänge (λ3) und eine untere Mittenwellenlänge (λ1) von einer mittleren Mittenwellenlänge (λ2) den gleichen Abstand haben.
    6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
      dadurch gekennzeichnet, dass eine Interferometersensoreinrichtung verwendet wird und aus den Messwerten neben den Phasendifferenzen weiterhin Intensitäten und/oder Interferenzkontraste und/oder Interferenzstreifenordnungen ermittelt werden.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
      dadurch gekennzeichnet, dass eine Interferometersensoreinrichtung verwendet wird und aus Quotienten von mindestens zwei Messwerten eine Phasendifferenz mittels einer arctan-Prozedur ermittelt wird.
    8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass über eine spektrale Breite des optischen Bandpassfilters (15) verschiedene diskrete Werte des Einfallwinkels eingestellt werden.
    9. Verfahren nach Anspruch 8,
      dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Werte des Einfallwinkels durch schrittweises Verstellen eines gesteuerten Schrittmotors eingestellt werden.
    10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
      dadurch gekennzeichnet, dass durch die Messung über die spektrale Breite des optischen Bandpassfilter (15) eine absolute Phasenlage ermittelt wird.
    11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
      dadurch gekennzeichnet, dass eine Bragg-Reflektoreinrichtung verwendet wird, deren durch eine Messgröße modulierte Wellenlänge über eine normierte Intensitätsdifferenz ermittelt wird.
    12. Vorrichtung zum Durchführen interferometrischer Messungen, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit
      einer Lichtquelle (1),
      einer Interferometersensoreinrichtung (19) oder wellenlängenmodulierten Sensoreinrichtung,
      einer Strahlungsteilereinrichtung (4) zum Aufteilen einer von der Interferometersensoreinrichtung (19) oder wellenlängenmodulierten Bragg-Sensoreinrichtung abgegebenen Strahlung in mindestens zwei Strahlengänge (9, 10, 11),
      einem optischen Bandpassfilter (15), das in den Strahlengängen (9, 10, 11) angeordnet ist,
      Fotodetektoren (16, 17, 18) in den Strahlengängen zum quantitativen Messen des durch den Bandpassfilter (19) gelangten Lichtes der Strahlengänge, und
      einer Datenverarbeitungseinrichtung zum Empfangen von Messsignalen der Fotodetektoren (16, 17 ,18).
    13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine Superlumineszenzdiode oder kantenemittierende Leuchtdiode (1) ist.
    14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) ungekühlt ist.
    15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) eine Wellenlänge zwischen 800 und 1.500 nm und eine Linienbreite von 40 nm bis 100 nm aufweist.
    16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15,
      dadurch gekennzeichnet, dass der optische Bandpassfilter (15) ein Interferenzfilter oder ein Fabry-Perot-Etalon ist.
    17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16,
      dadurch gekennzeichnet, dass Bündeleinrichtungen, insbesondere Gradientenindexlinsen, zum Beispiel Selfoc-Linsen (12, 13, 14) zum Bündeln der Strahlengänge (9, 10, 11) vorgesehen sind.
    18. Vorrichtung nach Anspruch 17,
      dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Bündeleinrichtung (13) und ein dem gleichen Strahlengang (10) zugeordneter Fotodetektor (17) starr miteinander gekoppelt verstellbar sind.
    19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18,
      dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Interferometer-Sensor, insbesondere ein faseroptischer Fabry-Perot-Mikrointerferometersensor an Anschlüssen (P1, P2, P3, P4) vorgesehen ist, und von der Datenverarbeitungseinrichtung ein arctan-Verfahren zur Ermittlung mindestens einer Phasendifferenz verwendbar ist.
    20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19,
      dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (3) zum Messen einer Umgebungstemperatur der Lichtquelle (1) vorgesehen ist und eine Stromzuführung von einer Stromquelle (2) zu der Lichtquelle (1) bei steigender Temperatur erhöhbar und bei fallender Temperatur verringerbar ist.
    21. Vorrichtung nach Anspruch 20,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke der Lichtquelle (1) derartig steuerbar ist, dass eine Lichtleistung und/oder Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle zumindest im Wesentlichen konstant gehalten wird.
    22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 21,
      dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Strahlengänge (9, 10, 11) vorgesehen sind, die durch den optischen Bandpassfilter (15) verlaufen.
    23. Vorrichtung nach Anspruch 22,
      dadurch gekennzeichnet, dass eine obere Mittenwellenlänge (3) und eine untere Mittenwellenlänge (1) von einer mittleren Mittenwellenlänge (2) den gleichen Wellenlängenabstand haben.
    24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 23,
      dadurch gekennzeichnet, dass ein Schrittmotor zur Verstellung des mindestens einen Strahlenganges (10) vorgesehen ist.
    25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 24,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsteilereinrichtung (4) einen faseroptischen Richtkoppler, vorzugsweise eine 4x4-Kopplungseinrichtung, oder eine photonische Schaltung mit 3x1- bzw. 3x3- und 2x2-Kopplungseinrichtungen aufweist.
    26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 25,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsteilungeinrichtung drei 2x2-Kopplungseinrichtungen aufweist.
    27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 26,
      dadurch gekennzeichnet, dass ein faseroptischer 1xN-Schalter in einem Lichtleiter (5, 6, 7, 8) zwischen der Strahlungsteilereinrichtung und den Sensoren zum Umschalten zwischen mehreren Sensoren vorgesehen ist.
    28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 27,
      dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzinterferometer (112) und ein Umschalter (100) zum Umschalten zwischen dem optischen Bandpassfilter (15) und dem Referenzinterferometer (112) vorgesehen ist.
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